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Transport organischer Substanzen Zusammensetzung des Siebröhrensaftes
Unklar (bis 1m/h)
Lösungsströmung (Source - Sink): Druckstromtheorie
Radioaktive Tracer, Mikroautoradiographie
Salzausscheidungen; Salzdrüsen; Cuticula
Kristalle (Oxalat, Carbonat)
Organische Stoffe: ätherische Öle, Harze, Zucker (Nektar)
Aktive Transporte, unterschiedliche Permeabilität, Exocytose
Autotroph (anorganisch organisch) - heterotroph
Phototroph - chemotroph (Energiequelle!)
Organotroph - litotroph (Wasserstoffdonator organisch oder anorganisch)
Litothroph: Deckung des Bedarfs an Reduktionsmitteln aus ausschließlich anorganischen Stoffen.
Chemolitotroph: einige Bakterien
Organotroph: Reduktionsmittel aus organischen Stoffen.
Chemoorganotroph: Tiere, Mensch, Pilze, viele Bakterien
2 Gruppen von Organismen:
Photoautotrophe (photosynthetisch aktive Bakterien, Cyanobakterien und alle chlorophyllbesitzende Pflanzen)
Chemolithoautotrophe (Bakterien)
Photosynthese - Chemosynthese
1. Hauptsatz: Energie kann von einer Form in die andere umgewandelt, nicht aber erzeugt oder vernichtet werden
2. Hauptsatz: Bei allen Energieaustausch- oder -umwandlungsprozessen ist die potentielle Energie des Endzustandes kleiner als die des Anfangszustandes (es darf keine Energie zu- oder abgeführt werden)
A + B = C + D
Je nachdem, ob K > 1 oder K < 1 ist, liegt das Gleichgewicht mehr links oder rechts
KBcAc
DcCc
)().(
)().(
A + B zusammen: Reaktion erfolgt bis zum Gleichgewichtszustand
Auch energetischer Zustand wird verändert (freiwillige Reaktion nur von höherem nach niedrigeren Energiepotential): es wird Energie frei: exergonisch
Dieser Energiebetrag ist im chemischen System reversibel festgelegt: freie Energie, G (besser: Änderung der freien Energie des Systems)
DG0 =1mol bei 25 °C, pH=0 und 1 bar; DG0´: pH=7
Exergonische Reaktionen: DG0´ = - !
Entropie: Maß für den Zustand der Materie und der Energie
Je geringer die Ordnung oder Struktur, desto größer der Zahlenwert der Entropie
Thermodynamik (2. Hauptsatz): gleichmäßige Verteilung wird angestrebt
Entropie nimmt zu
Geordnete Strukturen entstehen, wenn im Gesamtsystem Entropie zunimmt
Offene Reaktionssysteme, denen Ausgangsmaterialien zugeführt und Reaktionsprodukte entnommen werden
Reaktionen verlaufen fortgesetzt in eine Richtung
Freie Energie in J (kJ); man kann auch das Redoxpotential (E0) in V (mV) verwenden (Wasserstoffelektrode H2/2H+ bei c(H+)=1, pH=0; E0´ : pH 7)
1 V = 96 kJ (23 kcal) E0´ = -: Reduktionsvermögen (gibt leicht
Elektronen ab) E0´ = +: Oxidationsvermögen (Elektronen
können aufgenommen werden) Das stärker negative System reduziert das
weniger negative und wird dabei oxidiert, Energie wird freigesetzt
Sehr wichtig in der Bioenergetik!
Reversible Festlegung der Energie
O
N
NN
N
OH OH
HH
H H
OCH2
NH2
P
O
OH
OP
O
OH
OP
O
OH
HO
OCH2P
O
OH
OP
O
OH
HO+ H2O
- H2O
Adenin-Ribose-P~P~P
ATP
Adenin-Ribose-P~P+Pi
ADP
O
N
NN
N
OH OH
HH
H H
OCH2
NH2
P
O
OH
OP
O
OH
OP
O
OH
HO
A + B
C + D
ATP
ADP + Pi
G + H
E + F
endergonisch
+ DG0´
exergonisch
- DG0´
Übertragung des Phosphatrestes
Substrate werden aktiviert
H
HO
HO
H
HH
H
OH
OH
O
H2C O HH
HO
HO
H
HH
H
OH
OH
O
H2C O PO3H2
+ ATP + ADP
Hexokinase
Glucose + ATP Glucose-6-phosphat + ADP
Organische Substanzen sind metastabil
Aktivierungsenergie
Katalyse
Wirkungsspezifität
Substratspezifität
Gruppenspezifität
Wirkungsgruppe: aktiv beim Katalysegeschen (aktive u. passive Form)
Holoenzym: Apoenzym + prosthetische Gruppe; benötigen 2 Substrate
Coenzym: prosthetische Gruppe nicht fest (Co-Substrate); benötigen 2 Apoenzyme
Aktives Zentrum
Induced fit - Hypothese
Oxidoreduktasen
Transferasen (Hexokinase)
Hydrolasen
Lyasen
Isomerasen
Ligasen
Temperatur
pH-Wert
Allosterische Hemmung
Kompetitive (Isosterische) Hemmung
2 Substrate konkurrieren
Spezielle Mechanismen
1. Substrat bindet an das aktive Zentrum
2. Kompetitiver Inhibitor ähnelt oft dem Substrat und konkurriert um das aktive
Zentrum (isosterisch)
3. Ein nichtkompetitiver Inhibitor bindet an einer vom aktiven Zentrum entfernten
Stelle und ändert dadurch die Konformation, dass das aktive Zentrum nicht
länger voll funktionsfähig ist (allosterisch)
1 2 3
Gleiche Funktion, unterschiedliche Struktur
Dienen der Feinregulation von Syntheseschritten
Nicotinamid-adenin-dinucleotid NAD, Nicotinamid-adenin-dinucleotid -Phosphat, (Coenzyme von Dehydrogenasen) NADP
Flavin-adenin-dinucleotid FAD; ebenfalls Wasserstoffüberträger
Mehrere Enzyme, die verschiedene, aufeinanderfolgende Schritte einer Reaktionskette katalisieren
Sind in einer strukturellen und funktionellen Einheit zusammen-gefaßt (Fettsäuresynthese)
Herabsetzen der Aktivierungsenergie:
Bildet eine passende Tasche für die Substrate und bringt sie dadurch in der richtigen Orientierung zusammen; oder
Bindet so an das Substrat, dass dessen relevante Bindungen geschwächt werden
Bietet eine geeignete
Mikroumgebung
Fotosynthese
Sonne (Fusion: H zu He), jährlich 54,4.1023 J; 1 Million Hiroshima Bomben täglich
1/3 reflektiert, 1% von Pflanzen aufgenommen
Strahlungsenergie wird absorbiert und in eine chemische Bindung überführt
Abspaltung von Wasserstoff aus dem Wasser unter Freisetzung von Sauerstoff
Wasserstoff wird auf Kohlendioxid übertragen (Akzeptor)
6 CO2 + 12 H2O C6H12O6 + 6 O2 + 6H2O
DG0´ + 2872 kJ
h.n
CO2: CO2-freie Atmosphäre, Pflanzen verkümmern; Manometrie; 14CO2; URAS
Sauerstoff: Wasserpflanzen; Manometrie; Isotopen
Kohlenhydrate: Stärkenachweis
A B
Chloroplastenhülle
Thylakoide
Stroma
DNA
Assimilations (=autochthone) Stärke
Porphyrinring (4 Pyrrolringe + Mg)
Isozyklischer Pentanonring
Propionsäure
Phytol
1 m² Blattfläche ca. 1 g Kohlenhydrat/h
Chloroplastenpigmente
Absorptionsspektrum
Aktionsspektrum
Engelmann - Versuch
Wasserspaltung: Chloroplasten zerlegen H2O in Wasserstoff und Sauerstoff; die Wasserstoff-elektronen werden zur Bildung von Zuckermolekülen verwendet
Die Photosynthese als Redoxprozess: Im Verlauf der Photosynthese als Redoxprozess wird H2O oxidiert und CO2 reduziert
Photosynthese besteht aus den Lichtreaktionen (dem Foto-Teil) und dem Calvin-Zyklus (oder Dunkelreaktion; dem Synthese-Teil)
Die Lichtreaktionen (in den Thylakoiden) spalten H2O
setzen O2 frei
reduzieren NADP+ zu NADPH
bilden ATP aus ADP durch Fotophosphorylierung
Absorption eines Lichtquants: Chlorophyll a angeregt; kann als Wärme verloren gehen, oder rotes Fluoreszenzlicht, oder Lichtreaktionen
Reduktionsäquivalente werden zum Kohlenhydrataufbau genutzt
Chlorophyll a geht in einen angeregten Zustand über
Nur wenige Chlorophyll a Moleküle sind photosynthetisch aktiv: Reaktionszentren (RC)
Restliche Chlorophyll a, Chlorophyll b, Carotinoide: Antennenpigmente und light-harvesting-complex (LHC); Pigment-Proteinkomplexe;
Resonanzübertragung
mehr als 2 nm entfernt, Absorptionsspektrum des 2. Pigments muss sich mit Fluoreszenzspektrum des 1. überlappen
Excitonentransfer
bei kleineren Abstand; 2-Teilchenzustand; angeregtes e- und positives „Loch“; Rotverschiebung zum aktiven Zentrum hin
Emmerson Effekt: Licht einzeln (ca. 680 nm und 700 nm) und gemeinsam: gemeinsam mehr Effekt als einzeln; daher: 2 Lichtreaktionen, gekoppelt
Emmerson Effekt
0
0,25
0,5
0,75
1
1,25
1,5
1 2
Ph
oto
sy
nth
es
e (
rela
tiv
)
680 + 700 nm
nacheinander
680 + 700 nm
gleichzeitig
Steigerung
Versuche mit Lichtblitzen (stark, schwach): von ca. 500 Chlorophylmolekülen 1 aktiv
„Traping center“, „Lichtsammelfalle“, Antennenpigmente; PS I: Chl a, Carotinoide, Carotin; PS II: Chl a, b, Carotinoide (hptschl. Xanthophylle), Phäophitin
Light harvesting complex (LHC)
LHC I und LHC II
Resonanzübertragung
mehr als 2 nm entfernt, Absorptionsspektrum des 2. Pigments muß sich mit Fluoreszenzspektrum des 1. überlappen
Excitonentransfer
bei kleineren Abstand; 2-Teilchenzustand; angeregtes e- und positives „Loch“; Rotverschiebung zum aktiven Zentrum hin
Photosystem II (P 680; spezielle Form des Chlorophylls, Hauptabsorption bei 680 nm)
Photosystem I (P 700; spezielle Form des Chlorophylls, Hauptabsorption bei 700 nm)
NADPH + H+, ATP, O2
Besteht aus:
RC II (P 680), Antenennenkomplex, H2O-oxidierender Komplex (Mn)
Mit LHC II assoziert
Primärakzeptor: Phaeophytin a; Phaeophytine: Chlorophyll ohne Mg
Plastochinon; Cytochrom b, f; Plastocyanin
Besteht aus:
RC I (P 700), Antenennenkomplex, H2O-oxidierender Komplex
Mit LHC I assoziert
Primärakzeptor unbekannt (A)
Ferredoxin; Ferredoxin-NADP-Reduktase
Alternative zum Nicht-zyklischen Elektronentransport
PS I Ferredoxin Cytochrom b6, f
Protonengradient zwischen intra-thylakoidalen und äußeren Raum wird aufgebaut: ATP
Mehrere photosynthetisch aktive Bakteriengruppen, wie Purpurschwefelbakterien, verfügen über ein PS I, aber kein PS II
Der zyklische Elektronenfluss bestand wahrscheinlich lange vor dem linearen
Der zyklische Fluss hat eine photoprotektive Wirkung und hilft durch überschüssiges Licht verursachte Zellschäden vermeiden
An Elektronentransport gekoppelt
ATP-Synthase; CF1, CF0
Neben der Substratkettenphosphorylierung ein Weg zur Synthese von ATP aus ADP + Pi in lebenden Zellen
Die osmotische Energie eines Protonen- beziehungsweise Natriumgradienten wird genutzt
Durch die Aktivität von Protonenpumpen werden auf beiden Seiten einer Biomembran unterschiedliche pH-Werte aufgebaut (es können aber auch Natriumionen transloziert werden)
Energie wird benötigt
Das Transmembranprotein ATP-Synthase nutzt den Rücktransport von Protonen (Natriumionen) zur Synthese des zellulären Energieträgers ATP aus ADP
Organismus oder Organell
Außen Innen Energiequelle
Gram-negative Bakterien
Periplasma Cytoplasma Redoxpotential
Halobakterien Extrazellularraum Cytoplasma Licht
Purpurbakterien Periplasma Cytoplasma Redoxpotential/Licht
Chloroplasten Thylakoid-Innenraum Stroma Redoxpotential/Licht
Mitochondrien Intermembranraum Matrix Redoxpotential
Kompartimentierung: Membran muss für Protonen impermeabel sein
Asymmetrie: im Inneren des Kompartiments andere Strukturen als außen
Vektoriell: Elektronentransport von innen nach außen und ein Protonentransport in umgekehrter Richtung
Passagen: über diese fließen die Protonen von innen nach außen
0
Fotosystem II, Cytochromkomplexe nur in den Granathylakoiden
Stromathylakoide: Fotosystem I, ATP-Synthase
Stroma: Dunkelreaktionen
Einbau des Kohlendioxids (Reduktion!)
Bildung von Kohlenhydrat
Bildung von Assimilations- (=autochthoner) Stärke
Stroma der Cloroplasten
Radioaktiv markiertes CO2 wurde einer Algensuspension zugeführt
Nach kurzen Intervallen wurden die Algen getötet und extrahiert
Mittels 2-dimensionaler Papierchromato-graphie wurden die Extrakte getrennt und identifiziert
Mit Autoradiographie die markierten Produkte untersucht
Dient zur Trennung von Substanzen
Von Tswett entwickelt
Stationäre Phase, mobile Phase
Clip!
Bei der Mehrzahl der Pflanzen
CO2 wird in eine Pentose (Ribulose-1,5-bisphosphat) eingebaut
RubisCO (Ribolose-1,5-bisphosphatcarboxylase, -oxygenase)
Instabiler C6-Körper entsteht
Es entsehen sofort 2 C3-Körper: 3-Phosphorglycerinsäure
Die Phosphorglycerinsäure wird reduziert: mit Hilfe von ATP, NADPH+H+ entsteht ein Triosephosphat, ADP und NADP+
2 davon verbinden sich zu einer Hexose
Aus einem weiteren Triosoephosphat wird in einem komplizierten Zyklus (Calvin-Zyklus, reduktiver Pentosephosphatzyklus) Ribulose-1,5-bisphosphat regeneriert
Scheiden um die Leitbündel
Chloroplastedimorphismus:
Mesophyll: Grana, keine Stärke
Scheide: durchgehend lamellärer Typ (keine Grana!), relativ groß, Stärke
HATCH & SLACK
Primärer Akzeptor für CO2: Phosphorenolpyruvat (PEP) (Pyruvate = Salze der Brenztraubensäure)
PEP wird carboxyliert Oxalacetat
Wird reduziert Aspartat Malat (Äpfelsäure)
Mesophyll: Chloroplasten: Pyruvat in PEP; PEP ins Cytoplasma und wird durch CO2-Fixierung zum Oxalacetat (CO2 hauptsächlich aus Photore-spiration!); Chloroplast: Oxalacetat zu Malat
Scheidezellen: Chloroplasten: Malat wird gespalten: NADPH+H+, Pyruvat und CO2 entstehen; in Calvin-Zyklus bzw. ins Mesophyll zurück
PEP-Carboxylase wesentlich höhere Affinität zu CO2 als RubisCO
Photorespiration
Weniger CO2 von außen (Spaltöffnungen!)
O2: Carboxylasefunktion von RubisCO wird gesteigert
Anpassung an höhere Temperaturen
Warme, trockene Gebiete mit hoher Einstrahlung
Biochemische Ökologie
Beispiele (Getreide):
C3: Hafer, Reis, Roggen, Weizen
C4: Mais, Zuckerrohr, Hirsearten
Crassulaceae acid metabolism; diurnaler Säurezyklus der Sukkulenten
Zeitliche Trennung von CO2-Aufnahme und CO2-Einbau
Formelmäßig weitgehende Übereinstimmung mit C4 - Enzyme nicht in den Plastiden, sondern im Cytoplasma
Meist in der Nacht:
CO2 wird mit PEP-Carboxylase an PEP gebunden: Oxalacetat
Oxalacetat Malat
Malat wird in der Vakuole gespeichert (Ansäuerung!)
Bei Tag:
Malat ins Plasma, oxidative Decarboxylierung CO2, in Chloroplasten, Calvin-Zyklus
C4-Pflanzen: primäre CO2-Fixierung in den Mesophyllzellen, Calvin-Zyklus in den Scheidezellen: räumliche Kompartimentierung
CAM-Pflanzen: primäre CO2-Fixierung in der Nacht, Übertragung an Ribulose-1,5-bisphphat am Tag: zeitliche Kompartimentierung
Hauptsächlich bei C3-Pflanzen (C4 haben hohen CO2-Partialdruck!)
Bedeutung unklar (Bildung der Aminosäuren Glycin und Serin)
Unökonomisch
? Ventilfunktion: ermöglicht bei niedrigen CO2-Konzentrationen das Weiterlaufen des Elektronentrasportes. Überlastung der Reaktionszentren wird verhindert
Begrenzende Faktoren (Gesetz des Minimums) Licht Lichtkompensationspunkt (Kompensationslicht): CO2-
Verbrauch (Photosynthese) und CO2-Freisetzung (Atmung, Photorespiration) halten sich die Waage; Sonnen- und Schattenpflanzen
Kohlendioxid 0,04 % in der Luft; bei C3-Pflanzen begrenzend, wenn
sich die übrigen Faktoren dem Optimum nähern
Q10 = Maß für die Temperaturab-hängigkeit eines Prozesses; definiert durch die Steigerung der Reaktions-geschwindigkeit bei einer Temperatur-erhöhung von 10 °C; Q10 = 1: kein Einfluß, Q10 = 2: Steigerung der Reaktions-geschwindigkeit um das Doppelte bei einer Temperaturerhöhung von 10 °C
Temperatur
Q10-Wert: 2 oder mehr; Optimumkurve! Optima zwischen 20 und 30 °C, Minima um den Gefrierpunkt; Anpassungen
Luftfeuchtigkeit
Spaltenschluss (Unterschiede: C3, C4, CAM)
